外源γ-氨基丁酸對芥藍生長及品質的影響

劉 陽, 張 婧, 高曉萍, 常有麟, 劉思恬, 楊 滟, 韓康寧, 頡建明

(甘肅農業大學園藝學院,甘肅 蘭州 730070)

芥藍(BrassicaalbograbraL.H.Bailey)是十字花科蕓薹屬蔬菜,富含硫代葡萄糖苷、游離氨基酸、類胡蘿卜素、維生素C和酚類化合物等多種營養物質,并且含有少量有機堿及金雞納霜,有益于消化,還具有解毒清熱的功效[1-3]。

γ-氨基丁酸(γ-Aminobutyric acid, GABA)是細胞游離氨基酸庫中重要的組成部分[4-5],其廣泛存在于植物的各器官中,可為植物提供營養元素、調節碳氮代謝,影響植物生長發育、形態建成、物質積累和作物產量形成等各種生理生化過程[6-9]。Hijaz等[10]發現,GABA與植物激素協同作用,GABA的外源性應用增加了柑橘類植物中大多數植物激素的含量,促進植株生長。Li等[11]將GABA作用于低溫弱光下的辣椒幼苗,發現其顯著提高光合能力和內源GABA含量,增強抗氧化酶活性。研究結果表明,外源添加GABA可顯著提高番茄植株中酚類物質和內源GABA含量[12]。Nayyar等[13]發現,添加GABA可以在一定程度上減輕光合損傷,緩解高溫脅迫對玉米幼苗的傷害。外源GABA處理顯著促進番茄幼苗體內可溶性蛋白質和可溶性糖的積累,降低活性氧產生速率,從而緩解干旱脅迫對幼苗生長的抑制作用[14]。此外,Ma等[15]發現,外源GABA誘導大麥幼苗合成內源GABA和其他游離氨基酸。近年來GABA對植物生理代謝影響的研究多數集中在提高植物對鹽脅迫、低溫脅迫等抗逆性方面,且多數是針對苗期開展試驗研究,而對GABA在芥藍生長和品質等方面作用的研究鮮有報道。本試驗研究外源GABA對芥藍植株生長及產品品質的影響,探索芥藍高產高質栽培的新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試芥藍品種為農寶,其抗逆性和抗病性強,豐產性好,品質優。芥藍種子于50～55 ℃浸種15 min后,用蒸餾水漂洗3～5次,將消毒處理后的種子置于恒溫搖床(搖床轉速為180 r/min),在28 ℃黑暗條件下振蕩培養2 d,每12 h更換1次超純水,待80%的種子露白后播于穴盤中。待芥藍幼苗長到五葉一心,選取生長一致且無病蟲害的植株移入花盆,每盆1株。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計,設置6個不同濃度的GABA溶液,分別為:0 mmol/L(CK)、25 mmol/L(T1)、50 mmol/L(T2)、75 mmol/L(T3)、100 mmol/L(T4)、125 mmol/L(T5),其中CK以等量清水替代,所有處理中均加入0.1%吐溫80。芥藍幼苗定植15 d后,于9:00對芥藍葉片正反面均勻噴施GABA溶液,每3 d處理1次,共4次。處理結束后,第6 d對芥藍的可食用器官(葉片和花莖)進行取樣,測定相關指標。每處理9株,重復3次。

1.3 測定指標及測定方法

1.3.1 形態指標測定 測定植株莖粗(用游標卡尺測量)、株高(用直尺測量)、地上和地下部干質量及鮮質量。

1.3.2 品質指標測定 可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法,維生素C含量測定采用2,6-二氯酚靛酚鈉比色法,可溶性蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍比色法,硝酸鹽含量測定采用磺基水楊酸比色法,游離氨基酸含量測定采用茚三酮比色法,總酚含量測定采用福林酚比色法,類黃酮含量測定采用比色法[16],總硫代葡萄糖苷含量測定采用氯化鈀比色法[17]。

1.3.3 葉綠素含量測定 參照李靜[18]的方法測定植株葉片葉綠素含量。

1.3.4 光合參數測定 用CIRAS-2便攜式光合儀(美國PP SYSTEM公司產品),于晴天9:00-11:30測定植株的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。

1.3.5 葉綠素熒光參數測定 用IMAPING-PAM調制葉綠素熒光成像系統(德國WALZ公司產品)測定植株葉片的PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光能轉換效率(ΦPSⅡ)、光化學淬滅系數(qP)和非光化學淬滅系數(NPQ)。

1.3.6 內源激素測定 參照Mao等[19]的方法并稍作修改,用Aglient series 1100高效液相色譜儀測定植株葉片玉米素(ZT)、赤霉素(GA3)、生長素(IAA)和脫落酸(ABA)含量。色譜條件:ZORBAX SB-C18色譜柱(色譜柱直徑和長度分別為4.6 mm和250.0 mm;進樣通道的直徑:5 μm);流動相為甲醇和0.1%磷酸溶液(1∶9,體積比);流速為0.1 ml/min;檢測波長為254 nm;柱溫為30 ℃;進樣量為10 μl。

1.3.7 內源GABA相關指標測定 GABA含量測定參照Hu等[20]的方法并稍加修改,谷氨酸含量測定參照Kennedy等[21]的方法,谷氨酸脫羧酶(GAD)活性測定參照Bartyzell等[22]的方法并稍加修改。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2021進行數據處理與作圖,試驗數據的統計分析采用SPSS 20.0,并采用Duncan’s檢驗對顯著性進行多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 外源GABA對芥藍生長的影響

從表1可以看出,與CK相比,大部分濃度GABA處理均可增加芥藍生物量。T3、T4、T5處理芥藍的株高均顯著高于CK,分別增加21.19%、12.78%和6.43%。T1～T5處理均顯著增加芥藍的莖粗,較CK分別增加14.48%、21.41%、41.59%、23.34%和16.72%。T2、T3、T4處理的地上部鮮質量和干質量顯著高于CK,其中T3處理最高,較CK分別增加38.57%和50.21%,T1～T3處理的地下部鮮質量和干質量均顯著高于CK,T3處理最高,較CK分別增加97.87%和63.16%。

表1 外源γ-氨基丁酸對芥藍生長的影響

2.2 外源GABA對芥藍品質的影響

2.2.1 外源GABA對芥藍可溶性糖和維生素C含量的影響 外源GABA處理后芥藍葉片和花莖中可溶性糖含量呈先增加后降低趨勢,維生素C含量表現出相似的趨勢(圖1)。芥藍葉片和花莖中可溶性糖含量在GABA處理下均顯著高于CK,其中T3處理可溶性糖含量分別提高59.37%和52.84%。與CK相比,T2、T3處理顯著增加芥藍葉片和花莖中維生素C 含量,T3處理含量最高,分別提高13.83%和15.61%。

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖1 外源γ-氨基丁酸對芥藍可溶性糖和維生素C含量的影響Fig.1 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on soluble sugar and vitamin C contents of Chinese kale

2.2.2 外源GABA對芥藍可溶性蛋白質、游離氨基酸和硝酸鹽含量的影響 適宜濃度的GABA處理可促進芥藍葉片和花莖中可溶性蛋白質和游離氨基酸的積累,葉片中可溶性蛋白質和游離氨基酸含量均顯著高于花莖。如圖2A所示,T1～T5處理芥藍葉片中可溶性蛋白質含量均顯著高于CK,T3處理最高,較CK提高24.73%,部分處理間差異顯著;T2、T3和T4處理花莖的可溶性蛋白質含量均顯著高于CK,處理間無顯著差異。T2、T3、T4、T5處理芥藍葉片和花莖中游離氨基酸含量均顯著高于CK,其中T2、T3、T4、T5處理葉片游離氨基酸含量較CK分別增加16.58%、42.22%、38.04%、19.21%,T2、T3、T4、T5處理花莖游離氨基酸含量較CK分別增加20.07%、53.67%、44.42%和31.32%(圖2B)。

外源GABA處理均能降低芥藍葉片和花莖中硝酸鹽含量(圖2C)。與CK相比,T2、T3、T4、T5處理均顯著降低了芥藍葉片和花莖中硝酸鹽含量,其中T3處理分別降低24.69%和17.11%。

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖2 外源γ-氨基丁酸對芥藍可溶性蛋白質、游離氨基酸和硝酸鹽含量的影響Fig.2 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on soluble protein, free amino acid and nitrate contents of Chinese kale

2.2.3 外源GABA對芥藍總硫代葡萄糖苷含量的影響 不同濃度GABA處理均能促進芥藍葉片和花莖中總硫代葡萄糖苷的積累,且隨GABA處理濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(圖3)。與CK相比,T2、T3、T4處理芥藍葉片和花莖中總硫代葡萄糖苷含量均顯著增加,其中T3處理總硫代葡萄糖苷的含量最高,分別增加28.15%和35.79%。

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖3 外源γ-氨基丁酸對芥藍總硫代葡萄糖苷含量的影響Fig.3 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on total glucosinolate content of Chinese kale

2.2.4 外源GABA對芥藍總酚和類黃酮含量的影響 由圖4可看出,芥藍總酚和類黃酮含量隨GABA濃度的增加呈先增后減趨勢。T2、T3處理芥藍總酚含量均顯著增加,葉片中總酚含量在T3處理最高,較CK增加12.44%,花莖中總酚含量在T2處理最高,較CK增加43.06%(圖4A)。如圖4B所示,T3處理顯著增加芥藍葉片和花莖中類黃酮含量,較CK分別增加29.55%和38.03%,其他處理間無顯著差異。

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖4 外源γ-氨基丁酸對芥藍總酚和類黃酮含量的影響Fig.4 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on total phenolics and flavonoid contents of Chinese kale

2.3 外源GABA對芥藍生理特性的影響

2.3.1 外源GABA對芥藍葉片光合色素含量的影響 不同濃度GABA處理均可不同程度地提高芥藍葉片光合色素含量,且隨GABA濃度的增加呈先增后減的趨勢(圖5)。T1、T2、T3和T4處理下芥藍葉片的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+葉綠素b含量均顯著高于CK,其中T3處理的含量最高,較CK分別增加32.62%、37.25%和34.05%。

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖5 外源γ-氨基丁酸對芥藍葉片光合色素含量的影響Fig.5 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on photosynthetic pigment contents of Chinese kale leaves

2.3.2 外源GABA對芥藍葉片光合氣體交換參數的影響 外源GABA對芥藍葉片光合特性的影響如圖6所示,Pn、Gs和Tr隨GABA處理濃度的增加呈先增后減的趨勢,而Ci呈現降低的趨勢。T1、T2、T3、T4處理葉片Pn、Gs和Tr均顯著高于CK,其中T3處理下芥藍葉片的Pn和Tr最高,較CK分別增加52.06%和51.11%。葉片Gs在T2處理下最大,較CK增加92.75%。不同濃度GABA處理均顯著降低了葉片的Ci,其中T3處理最低,較CK降低了15.41%。

2.3.3 外源GABA對芥藍葉片葉綠素熒光參數的影響 不同濃度GABA處理對芥藍葉片葉綠素熒光參數的影響如表2所示,Fv/Fm隨GABA濃度增加呈現先上升后下降的趨勢,ΦPSⅡ和qP在一定范圍內呈逐漸上升的趨勢,而NPQ則在一定范圍內呈現下降的趨勢。T1～T5處理芥藍葉片中Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均顯著高于CK,Fv/Fm以T3處理最大,較CK提高4.35%,ΦPSⅡ和qP分別以T4、T2處理最大,較CK分別增加24.34%和21.40%。T2、T3、T4、T5處理均可顯著降低芥藍葉片NPQ,較CK分別降低了15.84%、25.51%、29.91%和17.89%。

2.3.4 外源GABA對芥藍葉片內源激素的影響 芥藍葉片中ZT、GA3、IAA和ABA等內源激素含量隨GABA處理濃度的增加呈先增后減的趨勢。如圖7A所示,T1、T2、T3處理均顯著增加葉片中ZT含量,較CK分別增加16.11%、66.31%和72.41%。如圖7B、圖7C所示,T1～T4處理葉片中GA3和IAA含量均顯著高于CK,其中T3處理GA3和IAA含量最高,較CK分別增加98.68%和84.37%。不同濃度GABA處理葉片的ABA含量均顯著高于CK,其中T3處理較CK提高38.72%(圖7D)。

2.3.5 外源GABA對芥藍GABA代謝的影響 外源GABA處理對芥藍的內源GABA含量、谷氨酸含量的影響均呈先增后減的趨勢。如圖8A所示,T2、T3、T4、T5處理下芥藍葉片和花莖內源GABA含量顯著高于CK,其中T3處理最大,較CK分別增加39.26%和60.29%,各處理表現為T3>T4>T5>T2>T1>CK,且葉片中內源GABA含量顯著高于花莖。T2、T3、T4、T5處理下芥藍葉片和花莖中谷氨酸含量均顯著高于CK,其中T3處理谷氨酸含量最高,較CK分別增加32.41%和14.28%(圖8B)。芥藍葉片和花莖中谷氨酸脫羧酶活性隨GABA濃度的增加呈現先增加后降低的趨勢,T2、T3、T4和T5處理GAD活性均顯著高于CK,在T3處理下GAD活性達到最大值,較CK分別增加56.13%和66.53%(圖8C)。

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖6 外源γ-氨基丁酸對芥藍葉片光合參數的影響Fig.6 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on photosynthetic parameters of Chinese kale leaves

表2 外源γ-氨基丁酸對芥藍葉片葉綠素熒光參數的影響

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖7 外源γ-氨基丁酸對芥藍葉片內源激素水平的影響Fig.7 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on endogenous hormone level in leaves of Chinese kale

CK、T1、T2、T3、T4、T5見表1注。不同小寫字母表示各處理之間差異顯著(P<0.05)。圖8 外源γ-氨基丁酸對芥藍內源γ-氨基丁酸代謝的影響Fig.8 Effect of exogenous γ-aminobutyric acid on endogenous γ-aminobutyric acid metabolism of Chinese kale

2.4 芥藍生長、品質及生理特性的相關分析

由表3可以看出,除Ci和硝酸鹽含量外,其他生長、品質及生理特性指標之間均表現出正相關關系,且部分指標間達到極顯著正相關。鮮質量與可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量、總硫代葡萄糖苷含量、谷氨酸含量、Pn、Fv/Fm、IAA含量和ABA含量均呈顯著正相關(P<0.05);Pn與可溶性蛋白質含量、總硫代葡萄糖苷含量、總酚含量、谷氨酸含量、葉綠素含量、Gs、Tr、Fv/Fm、ZT含量、GA3含量和IAA含量均呈顯著正相關;內源激素與生長生理指標之間的相關性較強;內源GABA含量與可溶性糖和游離氨基酸含量呈極顯著正相關(P<0.01),與株高、Fv/Fm和ABA含量均呈顯著正相關。

3 討 論

GABA是一種新發現的參與植物生長、發育和多種生理代謝的信號分子[23]。黃娟等[24]的研究結果表明,外源GABA能促進高溫脅迫下黃瓜幼苗的生長,增強黃瓜葉片的光合作用。本研究中,外源噴施不同濃度GABA均能增加芥藍的株高、莖粗、鮮質量和干質量,表明GABA處理能促進芥藍生長和生物量的積累。光合作用能將光能轉化為有機物并放出能量,是植物干物質積累和產量形成的基礎,提高光合能力有助于植物生長發育及生物量積累。葉綠素含量與光合能力密切相關,是反映植物生長狀況的重要指標,還可以反映蔬菜的色澤等外觀品質。葉綠素熒光參數反映不同環境下植株光合電子轉換過程的變化[25]。葉面噴施GABA可改善生菜的光合功能,調控植株的生長[26]。本研究發現,不同濃度GABA均可在不同程度上提高芥藍葉片的葉綠素含量,從而提高光合效率。同時,GABA處理能有效提高芥藍葉片的Pn、Tr和Gs,增強芥藍葉片的光合能力,顯著降低Ci,提高葉片對CO2的利用率,促進光合物質的積累,這與李武等[27]的研究結果相似。此外,外源GABA處理能夠提高芥藍葉片Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP,顯著降低NPQ值,說明GABA能提高芥藍對光能的捕獲和利用效率,減少能量的耗散,有利于把所捕獲的光能盡可能地用于光合作用[28],從而促進芥藍生長。植物激素對植物的生長發育具有重要的調控作用。GABA與生長素、脫落酸、赤霉素、細胞分裂素(CTK)之間具有相互調控的關系[29]。一般情況下,赤霉素和生長素能促進植株的生長和發育[30-31];玉米素能抑制葉綠素分解,促進氣孔開放、葉片生長及葉綠體發育,延緩植株衰老[32]。在植物生長發育的不同時期,各激素相互作用,共同調節植物生長發育及生理過程[29]。研究結果表明,外源GABA可顯著提高植物IAA、茉莉酸(JA)、ABA、玉米素核苷(ZR)等內源激素的含量[33]。本研究中,經GABA處理的芥藍葉片中ZT含量、ABA含量和IAA含量均有不同程度的增加,說明外源GABA處理可以增加芥藍內源激素含量,從而促進芥藍生長;而125 mmol/L GABA處理的GA3含量顯著低于CK,表明較高濃度的GABA處理抑制芥藍內GA3的積累。

表3 芥藍生長、品質及生理特性指標的相關性

GABA也是植物體內普遍存在的一種氨基酸,能直接被吸收利用,可為植株提供氮源,調節體內氮代謝,減少硝酸鹽含量。GABA通過降低氨基酸合成所用能量,提高可溶性糖、可溶性蛋白質和維生素C等的含量,從而改善蔬菜的營養品質[29, 34]。本研究發現,外源GABA處理可明顯提高芥藍的品質,但存在一定的濃度效應。可溶性糖、可溶性蛋白質、維生素C和總硫代葡萄糖苷含量等是衡量芥藍品質的重要指標。可溶性糖是植物光合作用的直接產物[35],通過檢測植株可溶性糖含量的變化,可以部分了解葉片光合產物的積累情況。外源GABA處理可顯著增加芥藍葉片和花莖中可溶性糖含量,隨著處理濃度的增加,可溶性糖含量呈先增后減趨勢,但均高于CK,與張換換等[36]的研究結果相似。同時,植株葉片中約有50%的可溶性蛋白質是光合作用的關鍵酶[35]。在本研究中,外源GABA噴施處理可提高芥藍可溶性蛋白質含量,可溶性蛋白質含量提高時,可間接增強光合關鍵酶的活性,增強植株的光合能力。芥藍葉片和花莖中維生素C含量在50 mmol/L和75 mmol/L GABA處理下均明顯提高。外源GABA處理也可促進游離氨基酸在芥藍葉片和花莖中的積累,芥藍葉片中的游離氨基酸含量均高于花莖,且75 mmol/L和100 mmol/L GABA處理下游離氨基酸積累量相對其他處理較高,弓瑞娟等[37]研究發現外源GABA促進芥藍中游離氨基酸的積累,與本研究結果相似。此外,不同濃度GABA處理降低芥藍葉片和花莖中硝酸鹽含量,這與李敬蕊等[38]的研究結果相似。本研究還發現芥藍中硝酸鹽含量與游離氨基酸含量變化趨勢相反,這主要是因為GABA加速了硝態氮的還原與轉化,將植株體內積累的硝態氮轉化為銨態氮以合成氨基酸[39]。硫苷是一組含氮含硫的次級代謝物,其降解產物不僅與蔬菜的風味形成有關,還能降低癌癥發生率[40]。外源氨基酸處理能顯著提高芥藍中總硫代葡萄糖苷含量,促進維生素C和可溶性蛋白質的積累[41]。本研究中,外源GABA處理顯著提高芥藍葉片和花莖中總硫代葡萄糖苷含量,75 mmol/L和100 mmol/L GABA處理效果顯著優于其他處理,這與周芷亦[42]的研究結果相似,氨基酸是硫苷的合成前體,因此GABA中的碳氮骨架有助于硫苷的形成,但隨GABA濃度的增加,硫苷含量逐漸下降,表明高濃度GABA可能抑制了芥藍葉片和花莖中硫苷的積累。總酚和類黃酮是評價蔬菜品質的重要指標,但也能夠起到清除自由基的作用[43]。植物中多酚含量越高,自由基清除能力越強[44]。在本研究中,隨GABA濃度增加,芥藍中類黃酮和總酚含量先增加后減少,不同濃度GABA處理均能不同程度地增加類黃酮和總酚含量,表明GABA處理能有效促進總酚和類黃酮的合成,多酚含量的增加可能是由于GABA促進了植物對必需營養元素吸收[45]。

GABA主要是谷氨酸在GAD催化下合成的,GABA可通過分流進入三羧酸循環,作為替代呼吸底物參與植物能量供應[46]。研究發現,內源性的GABA水平可以通過外源性GABA的應用來增加,但取決于GABA的濃度[15]。在本研究中,外源GABA顯著增加芥藍葉片和花莖中內源GABA的濃度,75 mmol/L GABA處理的芥藍內源GABA濃度達到最大值。芥藍中谷氨酸含量在多數濃度GABA處理下均顯著高于對照,且75 mmol/L GABA噴施處理的效果較為顯著。GAD是GABA合成的關鍵酶,植株體內GABA水平受GAD活性的調節,外源GABA處理顯著提高芥藍葉片和花莖中GAD活性,隨著處理濃度的增加,GAD活性有所降低,可能是由于高濃度的GABA抑制GAD活性,進而抑制谷氨酸轉化為GABA,此外,GAD活性的增加促進芥藍葉片和花莖中內源GABA的合成和積累,這與王賀[47]的研究結果相似。因此,外源GABA條件下,GABA支路中谷氨酸含量顯著上升,提高GAD的活性,促使更多的谷氨酸合成GABA,增強GABA支路的效率,進而調節植物的生長發育。此外,植物吸收的外源GABA通過GAD催化谷氨酸生成α-酮戊二酸,從而為植物提供碳骨架,碳骨架與氮素合成氨基酸,從而提高蔬菜品質。

4 結 論

外源噴施適宜濃度GABA(75 mmol/L)可促進芥藍生物量的積累,顯著增加芥藍葉片光合色素含量,增強光合作用,提高ZT、GA3、IAA、ABA等內源激素含量,促進植株生長發育;顯著促進葉片和花莖中維生素C、可溶性糖、游離氨基酸及總硫代葡萄糖苷等的積累,促進酚類化合物的合成,降低硝酸鹽含量,提高芥藍的產量和品質;顯著促進GABA和谷氨酸的積累,增強GAD活性,從而調控內源GABA代謝。